De filamentos intermedios

filamentos intermedios (IF) son componentes estructurales del citoesqueleto que se encuentran en las células de los vertebrados y en muchos invertebrados. Se han observado homólogos de la proteína IF en un invertebrado, el cefalocordado Branchiostoma.

Los filamentos intermedios están compuestos por una familia de proteínas relacionadas que comparten características estructurales y de secuencia comunes. Inicialmente designado 'intermedio' Debido a que su diámetro promedio (10 nm) está entre el de los microfilamentos más estrechos (actina) y los filamentos de miosina más anchos que se encuentran en las células musculares, el diámetro de los filamentos intermedios ahora se compara comúnmente con los microfilamentos de actina (7 nm) y los microtúbulos (25 nm). Los filamentos intermedios animales se subclasifican en seis tipos según las similitudes en la secuencia de aminoácidos y la estructura de las proteínas. La mayoría de los tipos son citoplasmáticos, pero un tipo, el tipo V, es una lámina nuclear. A diferencia de los microtúbulos, la distribución del IF en las células no muestra una buena correlación con la distribución de las mitocondrias o del retículo endoplásmico.

Estructura

La estructura de las proteínas que forman filamentos intermedios (IF) se predijo por primera vez mediante un análisis computarizado de la secuencia de aminoácidos de una queratina epidérmica humana derivada de ADNc clonados. El análisis de una segunda secuencia de queratina reveló que los dos tipos de queratinas comparten sólo alrededor del 30% de homología de secuencia de aminoácidos pero comparten patrones similares de dominios de estructura secundaria. Como sugiere el primer modelo, todas las proteínas IF parecen tener un dominio de varilla de hélice alfa central que se compone de cuatro segmentos de hélice alfa (denominados 1A, 1B, 2A y 2B) separados por tres regiones enlazadoras.

El componente central de un filamento intermedio es un par de dos proteínas entrelazadas que se denomina estructura en espiral. Este nombre refleja el hecho de que la estructura de cada proteína es helicoidal y el par entrelazado también es una estructura helicoidal. El análisis estructural de un par de queratinas muestra que las dos proteínas que forman la espiral se unen mediante interacciones hidrofóbicas. Los residuos cargados en el dominio central no tienen un papel importante en la unión del par en el dominio central.

Los IF citoplasmáticos se ensamblan en filamentos de longitud unitaria (ULF) no polares. Los ULF idénticos se asocian lateralmente en tetrámeros solubles, antiparalelos y escalonados, que se asocian de cabeza a cola en protofilamentos que se emparejan lateralmente en protofibrillas, cuatro de las cuales se enrollan juntas en un filamento intermedio. Parte del proceso de ensamblaje incluye un paso de compactación, en el que ULF aprieta y asume un diámetro más pequeño. Las razones de esta compactación no se comprenden bien y habitualmente se observa que los IF tienen diámetros que oscilan entre 6 y 12 nm.

El extremo N y el extremo C de las proteínas IF son regiones no helicoidales alfa y muestran una amplia variación en sus longitudes y secuencias entre las familias IF. El "dominio principal" se une al ADN. Las cabezas de vimentina pueden alterar la arquitectura nuclear y la distribución de la cromatina, y la liberación de las cabezas por la proteasa del VIH-1 puede desempeñar un papel importante en la citopatogénesis y la carcinogénesis asociadas al VIH-1. La fosforilación de la región de la cabeza puede afectar la estabilidad del filamento. Se ha demostrado que la cabeza interactúa con el dominio de bastón de la misma proteína.

C-terminal "dominio de cola" muestra una variación extrema de longitud entre diferentes proteínas IF.

La orientación antiparalela de los tetrámeros significa que, a diferencia de los microtúbulos y los microfilamentos, que tienen un extremo positivo y un extremo negativo, los IF carecen de polaridad y no pueden servir como base para la motilidad celular y el transporte intracelular.

Además, a diferencia de la actina o la tubulina, los filamentos intermedios no contienen un sitio de unión para un nucleósido trifosfato.

Los IF citoplasmáticos no se mueven como los microtúbulos y las fibras de actina, sino que son dinámicos.

Propiedades biomecánicas

Las IF son proteínas bastante deformables que pueden estirarse varias veces su longitud inicial. La clave para facilitar esta gran deformación se debe a su estructura jerárquica, que facilita una activación en cascada de mecanismos de deformación en diferentes niveles de tensión. Inicialmente, las hélices alfa acopladas de los filamentos de longitud unitaria se desenrollan a medida que se tensan, luego, a medida que aumenta la tensión, pasan a ser láminas beta y, finalmente, al aumentar la tensión, los enlaces de hidrógeno entre las láminas beta se deslizan y los monómeros ULF se deslizan. uno junto al otro.

Tipos

Existen alrededor de 70 genes humanos diferentes que codifican diversas proteínas de filamentos intermedios. Sin embargo, los diferentes tipos de IF comparten características básicas: en general, todos son polímeros que miden entre 9 y 11 nm de diámetro cuando están completamente ensamblados.

Los IF animales se subcategorizan en seis tipos según las similitudes en la secuencia de aminoácidos y la estructura de las proteínas:

Tipos I y II – queratinas ácidas y básicas

Estas proteínas son las más diversas entre las IF y constituyen proteínas IF de tipo I (ácidas) y tipo II (básicas). Las numerosas isoformas se dividen en dos grupos:

• queratinas epiteliales (cerca de 20) en células epiteliales (imagen a derecha)
• queratinas tricocíticas (aproximadamente 13) (hair queratinas), que componen pelo, uñas, cuernos y escamas reptilianas.

Independientemente del grupo, las queratinas son ácidas o básicas. Las queratinas ácidas y básicas se unen entre sí para formar heterodímeros ácido-básicos y estos heterodímeros luego se asocian para formar un filamento de queratina.

Los filamentos de citoqueratina se asocian lateralmente entre sí para crear un haz grueso de ~50 nm de radio. El radio óptimo de tales haces está determinado por la interacción entre la repulsión electrostática de largo alcance y la atracción hidrofóbica de corto alcance. Posteriormente, estos haces se cruzarían a través de uniones para formar una red dinámica que abarcaría el citoplasma de las células epiteliales.

Tipo III

Hay cuatro proteínas clasificadas como proteínas de filamento intermedio de tipo III, que pueden formar proteínas homo o heteropoliméricas.

• Desmin Los IF son componentes estructurales de los sarcomeres en las células musculares y conectan diferentes organells celulares como los desmosomes con el citoesqueleto.
• Glial fibrillary acidic protein (GFAP) se encuentra en astrocitos y otros glia.
• Peripherin encontrado en neuronas periféricas.
• Vimentin, el más ampliamente distribuido de todas las proteínas IF, se puede encontrar en fibroblastos, leucocitos y células endoteliales de vaso sanguíneo. Apoyan las membranas celulares, mantienen algunos organelas en un lugar fijo dentro del citoplasma y transmiten señales de receptores de membrana al núcleo.
• Syncoilin es una proteína IF tipo atípico III.

Tipo IV

• Alpha-internexin
• Neurofilamentos – la familia tipo IV de filamentos intermedios que se encuentra en altas concentraciones a lo largo de los ejes de las neuronas vertebradas.
• Synemin
• Syncoilin

Tipo V – láminas nucleares

• Lamins

Las láminas son proteínas fibrosas que tienen una función estructural en el núcleo celular.

En las células de los metazoos, existen láminas de tipo A y B, que difieren en su longitud y pI. Las células humanas tienen tres genes regulados diferencialmente. Las láminas de tipo B están presentes en todas las células. Las láminas de tipo B, lámina B1 y B2, se expresan a partir de los genes LMNB1 y LMNB2 en 5q23 y 19q13, respectivamente. Las láminas de tipo A sólo se expresan después de la gastrulación. Las láminas A y C son las láminas de tipo A más comunes y son variantes de empalme del gen LMNA que se encuentra en 1q21.

Estas proteínas se localizan en dos regiones del compartimento nuclear, la lámina nuclear, una capa de estructura proteica subyacente a la superficie interna de la envoltura nuclear y en todo el nucleoplasma en el velo nucleoplásmico.

La comparación de las láminas con los IF del citoesqueleto de vertebrados muestra que las láminas tienen 42 residuos adicionales (seis heptadas) dentro de la bobina 1b. El dominio de cola c-terminal contiene una señal de localización nuclear (NLS), un dominio tipo Ig-fold y, en la mayoría de los casos, una caja CaaX carboxi-terminal que está isoprenilada y carboximetilada (la lamina C no tiene una caja CAAX). La lamina A se procesa aún más para eliminar los últimos 15 aminoácidos y su cisteína farnesilada.

Durante la mitosis, las láminas son fosforiladas por el MPF, lo que impulsa el desmontaje de la lámina y la envoltura nuclear.

Tipo VI

• filamentos de cuentas: Filensin, Phakinin.
• Nestina (fue propuesta una vez para la reclasificación, pero debido a diferencias, permanece como una proteína tipo VI IF)

Solo vertebrados. Relacionado con el tipo I-IV. Se utiliza para contener otras proteínas IF recién descubiertas que aún no están asignadas a un tipo.

Función

Adhesión celular

En la membrana plasmática, algunas queratinas o desmina interactúan con los desmosomas (adhesión célula-célula) y los hemidesmosomas (adhesión célula-matriz) a través de proteínas adaptadoras.

Proteínas asociadas

La filagrina se une a las fibras de queratina en las células epidérmicas. La plectina une la vimentina a otras fibras de vimentina, así como a microfilamentos, microtúbulos y miosina II. Se está investigando la kinesina y se sugiere que conecte la vimentina con la tubulina a través de proteínas motoras.

Los filamentos de queratina en las células epiteliales se unen a los desmosomas (los desmosomas conectan el citoesqueleto) a través de placoglobina, desmoplaquina, desmogleínas y desmocolinas; Los filamentos de desmina están conectados de manera similar en las células del músculo cardíaco.

Enfermedades derivadas de mutaciones en genes IF

• Cardiomioterapia dilatada (DCM), mutaciones en la DES gene
• Carmiopatía arritmogénica (ACM), mutaciones en la DES gene
• Carmiopatía restrictiva (RCM), mutaciones en la DES gene
• Carmiopatía no-compasión, mutaciones en la DES genes
• Cardiomiopatía en combinación con miopatía esquelética (DES)
• Epidermolysis bullosa simplex; queratina 5 o queratina 14 mutación
• Las laminopatías son una familia de enfermedades causadas por mutaciones en las minas nucleares e incluyen el síndrome de Hutchinson-Gilford progeria y varias lipodistrofias y cardiomiopatías entre otros.

En otros organismos

Las proteínas IF son universales entre los animales en forma de lámina nuclear. La Hidra tiene una "nematocilina" Derivado de la lámina. Los IF citoplasmáticos (tipo I-IV) solo se encuentran en Bilateria; también surgieron de un evento de duplicación genética que involucraba genes "tipo V" lámina nuclear. Además, algunos otros tipos diversos de eucariotas tienen láminas, lo que sugiere un origen temprano de la proteína.

En realidad, no existía una definición concreta de "proteína de filamento intermedio", en el sentido de que la definición basada en el tamaño o la forma no cubre un grupo monofilético. Con la inclusión de proteínas inusuales como las láminas redondeadas que forman redes (tipo VI), la clasificación actual se está moviendo hacia un clado que contiene láminas nucleares y sus muchos descendientes, caracterizados por la similitud de secuencia así como por la estructura del exón. Las proteínas funcionalmente similares de este clado, como las medias lunas, las alveolinas, las tetrinas y las epiplasminas, son, por lo tanto, sólo "similares a IF". Probablemente surgieron a través de una evolución convergente.